DE112018006877B4 - Method of supplying starting material and method of producing a silicon single crystal - Google Patents
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Abstract
Stoffzufuhrverfahren zum Wiederauffüllen eines Siliciumfeststoffs in eine Siliciumschmelze in einem Tiegel, wenn ein Silicium-Einkristall mit dem Czochralski-Prozess hochgezogen wird, während ein horizontales elektromagnetisches Querfeld an die Siliciumschmelze angelegt ist, wobei das Verfahren folgendes umfasst:
Verfestigen der gesamten Oberfläche der Siliciumschmelze;
Fallenlassen des Feststoffs auf einen verfestigten Teil, der während der Verfestigung der gesamten Oberfläche der Siliciumschmelze gebildet wurde; und
Schmelzen des verfestigten Teils und des Feststoffs, wobei
beim Fallenlassen des Feststoffs der Feststoff fallengelassen wird, während die Intensität des elektromagnetischen Querfelds, das an die Siliciumschmelze angelegt ist, auf einen Bereich von mehr als 0 Tesla und 0,05 Tesla oder weniger eingestellt ist, und
beim Schmelzen des verfestigten Teils und des Feststoffs, nachdem das Fallenlassen des Feststoffs beendet wurde, der verfestigte Teil und der Feststoff geschmolzen werden, während ein elektromagnetisches Querfeld von mehr als 0,05 Tesla an die Siliziumschmelze angelegt wird.
A material feeding method for replenishing a silicon solid into a silicon melt in a crucible when a silicon single crystal is pulled up by the Czochralski process while a horizontal transverse electromagnetic field is applied to the silicon melt, the method comprising:
solidifying the entire surface of the silicon melt;
dropping the solid onto a solidified part formed during solidification of the entire surface of the silicon melt; and
melting the solidified part and the solid, wherein
in dropping the solid, the solid is dropped while the intensity of the transverse electromagnetic field applied to the silicon melt is adjusted to a range of more than 0 Tesla and 0.05 Tesla or less, and
in melting the solidified part and the solid, after stopping the dropping of the solid, the solidified part and the solid are melted while a transverse electromagnetic field of more than 0.05 Tesla is applied to the silicon melt.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stoffzufuhrverfahren und ein Herstellungsverfahren für einen Silicium-Einkristall.The present invention relates to a material supply method and a manufacturing method for a silicon single crystal.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Um einen Silicium-Einkristall mit dem CZ (Czochralski)-Prozess herzustellen, war es bekannt, normalerweise einen Siliciumfeststoff in eine Siliciumschmelze in einem Tiegel zu füllen (siehe beispielsweise Patentliteratur 1).In order to produce a silicon single crystal with the CZ (Czochralski) process, it has been known to usually fill a silicon solid into a silicon melt in a crucible (for example, see Patent Literature 1).
Gemäß dem in Patentliteratur 1 offenbarten Verfahren wird der Siliciumfeststoff wieder auf den verfestigten Teil aufgefüllt, nachdem die gesamte Oberfläche einer restlichen Flüssigkeit in dem Tiegel durch Verringern der elektrischen Heizleistung für eine Heizung verfestigt ist. Das Wiederauffüllen des Feststoffs auf den verfestigten Teil schützt die Siliciumschmelze davor, sich zu zerstreuen im Unterschied dazu, wenn der Feststoff direkt in die restliche Flüssigkeit wieder aufgefüllt wird.According to the method disclosed in Patent Literature 1, after the entire surface of a residual liquid in the crucible is solidified by reducing electric heating power for a heater, the silicon solid is replenished on the solidified part. Replenishing the solid onto the solidified portion prevents the silicon melt from scattering, unlike when the solid is replenished directly into the residual liquid.
Unterdessen ist der MCZ (magnetischer Czochralski)-Prozess, bei dem ein horizontales Magnetfeld an die Siliciumschmelze angelegt wird, als ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls bekannt. Der MCZ-Prozess, bei dem eine Konvektionsgeschwindigkeit der Siliciumschmelze verringert wird, reduziert die Zersetzung (degradation) der Innenseite des Tiegels. Im Ergebnis kann die Erzeugung von Partikeln durch die Zersetzung der Innenseite des Tiegels durch den MCZ-Prozess gehemmt werden, was das Auftreten von Dislokationen reduziert.Meanwhile, the MCZ (Magnetic Czochralski) process in which a horizontal magnetic field is applied to the silicon melt is known as a method for manufacturing a silicon single crystal. The MCZ process, in which a convection speed of the silicon melt is reduced, reduces the degradation of the inside of the crucible. As a result, the generation of particles by the decomposition of the inside of the crucible by the MCZ process can be inhibited, reducing the occurrence of dislocation.
In Patentliteratur 2 wird ein Verfahren zum Wiederauffüllen (Nachchargieren) von Silicium-Rohmaterial zu einer Silicium-Schmelze in einem Tiegel beschrieben. Dabei wird die Oberfläche der Siliciumschmelze zu mindestens 90% verfestigt und dann das Rohmaterial nachdosiert. Um die Konvektion der Schmelze in dem Quarztiegel zu kontrollieren, kann ein CUSP-Magnetfeld angelegt werden.In Patent Literature 2, a method for replenishing (recharging) silicon raw material to a silicon melt in a crucible is described. The surface of the silicon melt is solidified by at least 90% and then the raw material is replenished. A CUSP magnetic field can be applied to control the convection of the melt in the quartz crucible.
Patentliteratur 3 beschreibt Czochralski-Verfahren, bei denen das in den Quarztiegel eingefüllte Silicium-Rohmaterial unter Verwendung eines Magnetfeldes von 500 Gauss (= 0,05 Tesla) oder mehr aufgeschmolzen wird. Alternativ kann beim Aufschmelzen des Siliciums ein Magnetfeld unter 0,05 Tesla angelegt werden, bevor 80% des Siliciums geschmolzen ist, und ein Magnetfeld von 0,05 Tesla oder höher angelegt werden, nachdem 80% des Siliciums geschmolzen ist. Beim Ziehen des Silicium-Einkristalls aus dem so erhaltenen geschmolzenen Silicium wird ein Magnetfeld unter 0,05 Tesla angelegt.Patent Literature 3 describes Czochralski methods in which the silicon raw material filled in the quartz crucible is melted using a magnetic field of 500 Gauss (=0.05 Tesla) or more. Alternatively, when reflowing the silicon, a magnetic field below 0.05 Tesla can be applied before 80% of the silicon has melted and a magnetic field of 0.05 Tesla or higher can be applied after 80% of the silicon has melted. A magnetic field below 0.05 Tesla is applied in pulling the silicon single crystal from the thus obtained molten silicon.
ZITATLISTEQUOTE LIST
PATENTLITERATURPATENT LITERATURE
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Patentliteratur 1: Wiederveröffentlichung der internationalen PCT-Veröffentlichung Nr.
WO 2002/068732 A1 WO 2002/068732 A1 -
Patentliteratur 2:
JP 2007-246356 A JP 2007-246356 A -
Patentliteratur 3:
US 2009/0090295 A1 U.S. 2009/0090295 A1
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABE(N)PROBLEM(S) TO BE SOLVED BY THE INVENTION
Es ist erwähnenswert, dass ein sogenannter Mehrfach-Zieh-Prozess, bei dem ein Feststoff nach dem Hochziehen eines Silicium-Einkristalls und bevor der nächste Silicium-Einkristall hochgezogen wird, wieder aufgefüllt wird, ebenso manchmal in dem MCZ-Prozess angewandt wird. In diesem Fall ist es möglich, um das Zerstreuen der Siliciumschmelze, wenn der Feststoff wieder aufgefüllt wird, einzuschränken, die gesamte Oberfläche der restlichen Flüssigkeit zu verfestigen, wie in dem in Patentliteratur 1 offenbarten Verfahren. Es ist ebenso möglich, zum Zeitpunkt des Wiederauffüllens ein Magnetfeld derselben Intensität wie desjenigen, das beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls anzulegen, um die Zersetzung der Innenseite eines Tiegels zum Zeitpunkt des Wiederauffüllens einzuschränken.It is worth noting that a so-called multi-pulling process in which a solid is replenished after pulling up a silicon single crystal and before the next silicon single crystal is pulled up is also sometimes employed in the MCZ process. In this case, in order to restrict the silicon melt from scattering when the solid is replenished, it is possible to solidify the entire surface of the residual liquid as in the method disclosed in Patent Literature 1. It is also possible to apply a magnetic field of the same intensity as that applied when the silicon single crystal is pulled up at the time of refilling in order to restrain the decomposition of the inside of a crucible at the time of refilling.
Der Tiegel wird jedoch gemäß der obigen Anordnung manchmal beschädigt. Selbst wenn der Tiegel nicht beschädigt wird, ist manchmal die Dislokationsrate erhöht.However, according to the above arrangement, the crucible is sometimes damaged. Even if the crucible is not damaged, the dislocation rate is sometimes increased.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Stoffzufuhrverfahren und ein Herstellungsverfahren für einen Silicium-Einkristall zur Verfügung zu stellen, die eine Beschädigung eines Tiegels zum Zeitpunkt des Wiederauffüllens und das Auftreten von Dislokationen in einem Silicium-Einkristall einschränken können.It is an object of the invention to provide a material supply method and a manufacturing method of a silicon single crystal which can restrain damage of a crucible at the time of refilling and occurrence of dislocations in a silicon single crystal.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE(N)MEANS TO SOLVE THE TASK(S)
Nach eingehenden Studien sind die Erfinder zu den folgenden Befunden gelangt.After diligent studies, the inventors have reached the following findings.
Wenn ein elektromagnetisches Querfeld von über 0,05 Tesla auf eine Siliciumschmelze angelegt ist, nimmt eine Konvektionsgeschwindigkeit der Siliciumschmelze verglichen mit einem Fall ohne Anlegen des elektromagnetischen Querfelds ab. Die Temperatur der Siliciumschmelze wird durch einen Rühreffekt (agitation effect) der Konvektion aufrechterhalten. Entsprechend führt die Abnahme der Konvektionsgeschwindigkeit zu einer Abnahme des Rühreffekts und erniedrigt so die Temperatur des Teils der Siliciumschmelze, der sich im Zentrum des Tiegels, die, vergleichen mit anderen Teilen, von der Heizung am weitesten entfernt ist, befindet. Wenn man den Feststoff in diesem Zustand auf den verfestigten Teil fallen lässt, wird die Temperatur des verfestigten Teils durch den Kontakt mit dem Feststoff erniedrigt, so dass ein weiteres Fortschreiten der Verfestigung der Siliciumschmelze (d.h., Vorstehen eines zentralen Bereichs des verfestigten Teils nach unten) wahrscheinlich ist.When a transverse electromagnetic field of over 0.05 Tesla is applied to a silicon melt, a convection speed of the silicon melt decreases as compared with a case without applying the transverse electromagnetic field. The temperature of the silicon melt is controlled by a Maintain agitation effect of convection. Accordingly, the decrease in the convection speed leads to a decrease in the stirring effect, thus lowering the temperature of the part of the silicon melt located at the center of the crucible which is farthest from the heater compared to other parts. If the solid is dropped onto the solidified portion in this state, the temperature of the solidified portion is lowered by contact with the solid, so that solidification of the silicon melt (ie, protruding downward of a central portion of the solidified portion) further progresses. is likely.
Im Ergebnis kann der vorstehende Teil im Zentrum der Unterseite des verfestigten Teils die Bodenfläche der Innenwand des Tiegels erreichen und einen Bruch des Tiegels hervorrufen. Selbst wenn der Tiegel nicht bricht, kann der vorstehende Teil die Bodenfläche des Tiegels beschädigen und Partikel erzeugen, was die Dislokationsrate des Silicium-Einkristalls erhöht.As a result, the protruding part at the center of the bottom of the solidified part may reach the bottom surface of the inner wall of the crucible and cause the crucible to break. Even if the crucible is not broken, the protruding part may damage the bottom surface of the crucible and generate particles, increasing the dislocation rate of the silicon single crystal.
Die Erfindung beruht auf den obigen Befunden.The invention is based on the above findings.
Ein Stoffzufuhrverfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung dient zum Wiederauffüllen eines Siliciumfeststoffs in einer Siliciumschmelze in einem Tiegel, wenn ein Silicium-Einkristall mit dem Czochralski-Prozess hochgezogen wird, während ein horizontales elektromagnetisches Querfeld an die Siliciumschmelze angelegt ist. Das Verfahren ist wie in Patentanspruch 1 definiert.A material feeding method according to an aspect of the invention is for replenishing a silicon solid in a silicon melt in a crucible when a silicon single crystal is pulled up by the Czochralski process while a horizontal transverse electromagnetic field is applied to the silicon melt. The method is as defined in claim 1.
Die Intensität des Magnetfelds in einem Bereich von mehr als 0 Tesla und 0,05 Tesla oder weniger in dem obigen Aspekt der Erfindung erhöht die Konvektionsgeschwindigkeit der Siliciumschmelze, verglichen mit einem Fall, bei dem ein elektromagnetisches Querfeld von mehr als 0,05 Tesla (d.h., dasselbe Niveau des elektromagnetischen Querfelds, das beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls angelegt ist), angelegt wird. Entsprechend wird die Abnahme der Temperatur des Teils im Zentrum des Tiegels durch einen Rühreffekt der Siliciumschmelze eingeschränkt, verglichen mit anderen Teilen. Somit wird, selbst wenn die Temperatur des verfestigten Teils durch den Kontakt mit dem Feststoff verringert wird, das Wachstum des zentralen Bereichs des verfestigten Teils nach unten eingeschränkt und bewahrt dadurch den Tiegel vor Beschädigung und verringert die Dislokationen in dem Silicium-Einkristall. Ferner kann die Konvektionsgeschwindigkeit der Siliciumschmelze, verglichen mit dem Anlegen keines Magnetfelds, verringert werden, was die Zersetzung der Innenseite des Tiegels reduziert. Im Ergebnis können Partikel von der Zersetzung der Innenseite des Tiegels eingeschränkt werden, was das Auftreten von Dislokationen verringert.The intensity of the magnetic field in a range of more than 0 tesla and 0.05 tesla or less in the above aspect of the invention increases the convection speed of the silicon melt compared with a case where a transverse electromagnetic field of more than 0.05 tesla (i.e. , the same level of transverse electromagnetic field applied when pulling up the silicon single crystal). Accordingly, the decrease in the temperature of the part at the center of the crucible is restrained by a stirring effect of the silicon melt as compared with other parts. Thus, even if the temperature of the solidified part is lowered by the contact with the solid, the central portion of the solidified part is restricted from growing downward, thereby preventing the crucible from being damaged and reducing the dislocations in the silicon single crystal. Furthermore, the convection speed of the silicon melt can be reduced compared to when no magnetic field is applied, which reduces the decomposition of the inside of the crucible. As a result, particles can be restrained from decomposing the inside of the crucible, reducing the occurrence of dislocation.
In dem Stoffzufuhrverfahren gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass bei dem Verfestigen der gesamten Oberfläche der Siliciumschmelze die gesamte Oberfläche der Siliciumschmelze verfestigt wird, während die Intensität des an die Siliciumschmelze angelegten elektromagnetischen Querfelds auf einen Bereich von mehr als 0 Tesla und 0,05 Tesla oder weniger eingestellt ist.In the material feeding method according to the above aspect of the invention, it is preferable that, in the solidification of the entire surface of the silicon melt, the entire surface of the silicon melt is solidified while the intensity of the transverse electromagnetic field applied to the silicon melt is controlled to a range of more than 0 Tesla and 0 .05 Tesla or less.
Gemäß der obigen Anordnung wird durch den Rühreffekt verhindert, dass die Temperatur der Siliciumschmelze im Zentrum des Tiegels niedriger ist als diejenige anderer Teile in dem Verfestigungsschritt. Somit wird das Wachstum des zentralen Bereichs des verfestigten Teils nach unten eingeschränkt, bevor der Feststoff eingefüllt wird, und hierdurch wird die Möglichkeit der Beschädigung des Tiegels und des Auftretens von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall weiter reduziert.According to the above arrangement, the temperature of the silicon melt at the center of the crucible is prevented from being lower than that of other parts in the solidification step by the stirring effect. Thus, the growth of the central portion of the solidified part is restricted downward before the solid is filled, and this further reduces the possibility of damaging the crucible and causing dislocations in the silicon single crystal.
In dem Stoffzufuhrverfahren gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung wird nach Beendigung des Fallenlassens des Feststoffs ein elektromagnetisches Querfeld über 0,05 Tesla an die Siliciumschmelze angelegt.In the material supply method according to the above aspect of the invention, after the dropping of the solid is finished, a transverse electromagnetic field in excess of 0.05 Tesla is applied to the silicon melt.
Die Verringerung der Temperatur des verfestigten Teils, die bei einem anfänglichen Kontakt des Feststoffs mit dem verfestigten Teil am größten ist, setzt sich fort, während der Feststoff weiter fallengelassen wird, jedoch mit einer geringeren Rate.The reduction in the temperature of the solidified portion, which is greatest at initial contact of the solid with the solidified portion, continues as the solid continues to fall, but at a slower rate.
Gemäß der obigen Anordnung wird die Abnahme der Temperatur der Siliciumschmelze im Zentrum des Tiegels durch den Rühreffekt, verglichen mit anderen Teilen der Siliciumschmelze, eingeschränkt, während der Feststoff fallengelassen wird, und so wird die Möglichkeit der Beschädigung des Tiegels und des Auftretens von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall weiter reduziert.According to the above arrangement, the decrease in the temperature of the silicon melt at the center of the crucible is restricted by the stirring effect as compared with other parts of the silicon melt while the solid is dropped, and so the possibility of damage to the crucible and the occurrence of dislocations in the Silicon single crystal further reduced.
In dem Stoffzufuhrverfahren gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass beim Fallenlassen des Feststoffs der Feststoff nach Beginn des Schmelzschritts fallengelassen wird.In the substance supply method according to the above aspect of the invention, it is preferable that when the solid is dropped, the solid is dropped after the melting step is started.
Gemäß der obigen Anordnung wird die Temperatur der Siliciumschmelze angehoben, indem der Schmelzschritt vor dem Fallenlassen des Feststoffs durchgeführt wird. So kann die Abnahme der Temperatur des verfestigten Teils durch den Kontakt mit dem Feststoff eingeschränkt werden. Entsprechend wird das Wachstum des zentralen Bereichs des verfestigten Teils nach unten weiter eingeschränkt und hierdurch die Möglichkeit der Beschädigung des Tiegels und des Auftretens von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall weiter reduziert.According to the above arrangement, the temperature of the silicon melt is raised by performing the melting step before dropping the solid. Thus, the decrease in the temperature of the solidified part by the contact with the solid can be restrained. Accordingly, the downward growth of the central portion of the solidified portion is further restricted, thereby further reducing the possibility of damage to the crucible and occurrence of dislocation in the silicon single crystal.
In dem Stoffzufuhrverfahren gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass das Verfestigen, das Fallenlassen und das Schmelzen wiederholt durchgeführt werden und vor dem Beginn zweiter und anschließender Durchgänge des Verfestigens das elektromagnetische Querfeld in einem Bereich von mehr als 0 Tesla und 0,05 Tesla oder weniger angelegt wird, nachdem die Formel (1) unten erfüllt ist,
In dem Schmelzschritt schmilzt der aus dem verfestigten Teil und dem Feststoff gebildete Inselteil allmählich von einem äußeren Umfang nahe an dem Tiegel und einer Unterseite in Kontakt mit der Siliciumschmelze. Wenn der vorstehende Teil im Zentrum der Unterseite des verfestigten Teils gebildet wird, kann entsprechend angenommen werden, dass die kleinere maximale Außenabmessung des Inselteils den kürzeren vorstehenden Teil des Inselteils meint.In the melting step, the island part formed of the solidified part and the solid is gradually melted from an outer periphery close to the crucible and a bottom in contact with the silicon melt. Accordingly, when the protruding part is formed in the center of the bottom of the solidified part, it can be assumed that the smaller maximum outer dimension of the island part means the shorter protruding part of the island part.
Gemäß der obigen Anordnung wird das elektromagnetische Querfeld von mehr als 0 Tesla und 0,05 Tesla oder weniger angelegt, nachdem die maximale Außenabmessung D1 des Inselteils die obige Formel (1) erfüllt, und der vorstehende Teil des Inselteils wird ausreichend kurz. Entsprechend kann die vorstehende Länge im Zentrum der Unterseite des verfestigten Teils reduziert werden, bevor der anschließende Schritt des Fallenlassens begonnen wird. Selbst wenn die Temperatur des verfestigten Teils durch den Kontakt mit dem Feststoff verringert wird und der vorstehende Teil an der Unterseite des verfestigten Teils gebildet wird, kann entsprechend die Länge des verfestigten Teils verkürzt werden, wodurch die Möglichkeit reduziert wird, dass der vorstehende Teil in Kontakt mit dem Tiegel ist.According to the above arrangement, the transverse electromagnetic field of more than 0 Tesla and 0.05 Tesla or less is applied after the maximum outer dimension D1 of the island part satisfies the above formula (1), and the protruding part of the island part becomes sufficiently short. Accordingly, the protruding length at the center of the bottom of the solidified portion can be reduced before the subsequent dropping step is started. Accordingly, even if the temperature of the solidified part is lowered by the contact with the solid and the protruding part is formed at the bottom of the solidified part, the length of the solidified part can be shortened, thereby reducing the possibility that the protruding part contacts with the crucible.
Ein Herstellungsverfahren für einen Silicium-Einkristall mit dem Czochralski-Prozess gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung schließt ein: Hochziehen des Silicium-Einkristalls, während ein horizontales elektromagnetisches Querfeld an die Siliciumschmelze angelegt ist, und Wiederauffüllen eines Siliciumfeststoffs in die Siliciumschmelze unter Verwendung des oben beschriebenen Stoffzufuhrverfahrens.A manufacturing method for a silicon single crystal with the Czochralski process according to another aspect of the invention includes: pulling up the silicon single crystal while applying a horizontal transverse electromagnetic field to the silicon melt, and replenishing a silicon solid into the silicon melt using the above fabric feed process.
Gemäß dem obigen Aspekt der Erfindung kann eine Beschädigung eines Tiegels zum Zeitpunkt des Wiederauffüllens und das Auftreten von Dislokationen in einem Silicium-Einkristall eingeschränkt werden. So kann die Produktivität und Qualität des Silicium-Einkristalls verbessert werden.According to the above aspect of the invention, damage to a crucible at the time of refilling and occurrence of dislocations in a silicon single crystal can be restricted. Thus, productivity and quality of the silicon single crystal can be improved.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt schematisch eine Anordnung einer Einkristall-Hochziehvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.1 FIG. 12 schematically shows an arrangement of a single crystal pulling-up apparatus according to an exemplary embodiment of the invention. -
2A ist eine Illustration, die ein Stoffzufuhrverfahren (Schritt des Wiederauffüllens) gemäß der Erfindung zeigt.2A Fig. 14 is an illustration showing a cloth supply method (replenishing step) according to the invention. -
2B ist eine weitere Illustration, die das Stoffzufuhrverfahren (Schritt des Wiederauffüllens) gemäß der Erfindung zeigt.2 B Fig. 13 is another illustration showing the cloth feeding method (replenishing step) according to the invention. -
2C ist eine weitere Illustration, die das Stoffzufuhrverfahren (Schritt des Wiederauffüllens) gemäß der Erfindung zeigt.2C Fig. 13 is another illustration showing the cloth feeding method (replenishing step) according to the invention. -
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Stoffzufuhrverfahren zeigt.3 Fig. 12 is a flow chart showing a cloth feeding method according to the present invention.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORM(EN)DESCRIPTION OF EMBODIMENT(S)
Beispielhafte Ausführungsform(en)Exemplary embodiment(s)
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.An exemplary embodiment of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Anordnung einer Einkristall-HochziehvorrichtungArrangement of a single crystal pull-up device
Wie in
Ein Gaseinlass 11A für das Einlassen von Inertgas (z.B. ArGas) in die Kammer 11 ist an einem oberen Teil der Kammer 11 angebracht. Ein Gasauslass 11B für das Ablassen des Gases in der Kammer 11 in Übereinstimmung mit dem Betrieb einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) ist an einem unteren Teil der Kammer 11 vorgesehen.A
Ein Druck (Ofendruck) innerhalb der Kammer 11 ist mit der Steuerung (nicht gezeigt) zu steuern.A pressure (furnace pressure) inside the
Der Tiegel 12 ist eingerichtet, einen Feststoff aus polykristallinem Silicium S (d.h., ein Material für einen Siliciumwafer) aufzunehmen (siehe
Die Heizung 13 ist um den Tiegel 12 herum angeordnet. Die Heizung 13 ist eingerichtet, den Feststoff S in dem Tiegel 12 zu schmelzen und so eine Siliciumschmelze M bereitzustellen. Es ist erwähnenswert, dass eine Bodenheizung für das Heizen des Tiegels 12 von unterhalb unter dem Tiegel 12 angebracht werden kann.The
Der Wärmeisolationszylinder 14 ist so angeordnet, dass er den Tiegel und die Heizung 13 umgibt.The
Das Hochziehkabel 15 hat ein erstes Ende, das mit einem Hochziehantrieb (nicht gezeigt), der sich oberhalb des Tiegels 12 befindet, verbunden ist, und ein zweites Ende, das an einem Keimkristall SC befestigt ist. Das Hochziehkabel 15 ist eingerichtet, sich unter Steuerung durch eine Hochziehsteuerung (nicht gezeigt) mit einer vorher festgelegten Geschwindigkeit vertikal zu bewegen und koaxial mit dem Hochziehkabel 15 zu rotieren.The pull-up
Der Wärmeschild 16 ist eingerichtet, Strahlungswärme, die von der Heizung 13 nach oben abgestrahlt wird, zu blockieren.The
Die Einheit 17 zum Anlegen eines Magnetfelds schließt ein Paar elektromagnetischer Spulen 171 ein. Das Paar der elektromagnetischen Spulen 171 ist außerhalb der Kammer 11 angeordnet, um sich durch den Tiegel 12 gegenüber zu liegen. Die Einheit 17 zum Anlegen eines Magnetfelds ist eingerichtet, ein horizontales elektromagnetisches Querfeld, das mit einem Pfeil Y bezeichnet ist, an die Siliciumschmelze M anzulegen.The magnetic
Herstellungsverfahren für Silicium-EinkristallManufacturing process for silicon monocrystal
Als nächstes wird unten ein Herstellungsverfahren für einen Silicium-Einkristall SM beschrieben.Next, a manufacturing method of a silicon single crystal SM will be described below.
Es ist erwähnenswert, dass der Silicium-Einkristall SM einen geraden Körper aufweisen kann, der nach dem Schleifen seines äußeren Umfangs einen Durchmesser von 200 mm, 300 mm, 450 mm oder dergleichen haben kann. Ferner kann ein Dotierungsmittel zur Einstellung des spezifischen Widerstands zu der Siliciumschmelze M hinzugefügt oder nicht hinzugefügt werden.It is worth noting that the silicon single crystal SM may have a straight body having a diameter of 200 mm, 300 mm, 450 mm or so after grinding its outer periphery. Further, a dopant for adjusting the resistivity may or may not be added to the silicon melt M.
Zuerst wird der Siliciumfeststoff S in den Tiegel 12 gegeben. Der Feststoff S wird durch ein Brockenrohr-Verfahren (chunk tube method) hinzugegeben, das durch ein Stoffaufgeberverfahren, ein Verfahren, bei dem eine Stange geschnitten wird (cut rod method), oder dergleichen, ersetzt werden kann.The silicon solid S is placed in the
Nachdem eine vorher festgelegte Menge des Feststoffs S in den Tiegel 12 gegeben wurde, steuert die Einkristall-Hochziehvorrichtung 1 die Leistung der Heizung 13, um den Tiegel 12 zu heizen und schmilzt hierdurch den Feststoff S unter Erzeugung der Siliciumschmelze M (Anfangsschritt der Erzeugung der Schmelze).After a predetermined amount of the solid S is placed in the
Anschließend legt in einer dekomprimierten Inertatmosphäre die Einkristall-Hochziehvorrichtung ein elektromagnetisches Querfeld mit einer Intensität von G2 Tesla (über 0,05 Tesla) an die Siliciumschmelze M an, während die elektrische Leistung der Heizung 13 auf P2 (kW) eingestellt ist und rotiert den Tiegel 12 und bewegt ihn nach oben, um den Silicium-Einkristall SM hochzuziehen (Hochziehschritt). Die Zersetzung der Innenseite des Tiegels 12 wird durch Anlegen des elektromagnetischen Querfelds, das 0,05 Tesla übersteigt, eingeschränkt und so die Konvektionsgeschwindigkeit der Siliciumschmelze M verringert. Im Ergebnis treten von den Partikeln herrührende Dislokationen mit geringerer Wahrscheinlichkeit in dem Silicium-Einkristall SM auf. Es ist erwähnenswert, dass der Wert G2 vorzugsweise mehr als 0,05 Tesla und 0,5 Tesla oder weniger ist. Bei 0,05 Tesla oder weniger können die Konvektionen in der Siliciumschmelze M nicht ausreichend reduziert werden, was möglicherweise die Qualität des Silicium-Einkristalls SM verschlechtert. Then, in a decompressed inert atmosphere, the single crystal pull-up device applies a transverse electromagnetic field with an intensity of G2 Tesla (above 0.05 Tesla) to the silicon melt M while the electric power of the
Beispielsweise kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Ebene oder die Gleichmäßigkeit der Verteilung des spezifischen Widerstands nachteilig beeinflusst werden. Unterdessen ist 0,5 Tesla eine obere Grenze für die Intensität des Magnetfelds, das während des Hochziehschritts des Silicium-Einkristalls SM angelegt ist. Es wurde gefunden, dass die Qualität des Silicium-Einkristalls SM durch das Anlegen des elektromagnetischen Querfelds von 0,5 Tesla nicht beeinflusst wird.For example, the in-plane oxygen concentration or the uniformity of the resistivity distribution may be adversely affected. Meanwhile, 0.5 Tesla is an upper limit for the intensity of the magnetic field applied during the step of pulling up the silicon single crystal SM. It was found that the quality of the silicon monocrystal SM is not affected by the application of the transverse electromagnetic field of 0.5 Tesla.
Nach dem Hochziehschritt wird die Menge der Siliciumschmelze M in dem Tiegel 12 verringert, wie in
In dem Herstellungsschritt wird das Anlegen des elektromagnetischen Querfelds zu einer Zeit T1 nach dem Ende des Hochziehschritts angehalten. Im Einzelnen wird die Intensität des elektromagnetischen Querfelds von G2 Tesla, was 0,05 Tesla übersteigt, auf G1 Tesla, was mehr als 0 Tesla und 0,05 Tesla oder weniger ist, verringert.In the manufacturing step, the application of the transverse electromagnetic field is stopped at a time T1 after the end of the pull-up step. Specifically, the intensity of the transverse electromagnetic field is reduced from G2 Tesla, which exceeds 0.05 Tesla, to G1 Tesla, which is more than 0 Tesla and 0.05 Tesla or less.
In einem ersten Verfestigungsschritt im Anschluss an den Herstellungsschritt wird die elektrische Leistung der Heizung 13 zur Zeit T2 von P2 (kW) auf P1 (kW) verringert. Zu diesem Zeitpunkt wird, weil die Intensität des elektromagnetischen Querfelds G1 Tesla ist, die Konvektionsgeschwindigkeit der Siliciumschmelze M im Vergleich zu dem Anlegen des elektromagnetischen Felds von G2 Tesla erhöht, was die Temperaturabnahme der Siliciumschmelze M einschränkt. Die Abnahme der Temperatur der Siliciumschmelze M in Folge der Kontrolle der elektrischen Leistung der Heizung 13 überwindet jedoch den einschränkenden Effekt auf die Temperaturverringerung durch die Steuerung der Intensität des elektromagnetischen Querfelds, so dass die gesamte Oberfläche der Siliciumschmelze M sich verfestigt und einen verfestigten Teil M1 bildet, wie in
Wie in
Anschließend führt zu einer Zeit T4, zu der die gesamte Oberfläche der Siliciumschmelze M zumindest mit dem verfestigten Teil M1 bedeckt ist, die Einkristall-Hochziehvorrichtung 1 einen ersten Schritt des Fallenlassens durch. In dem ersten Schritt des Fallenlassens lässt man, während die Intensität des elektromagnetischen Querfelds bei G1 Tesla und die elektrische Leistung der Heizung 13 bei P2 (kW) gehalten wird, den Feststoff auf den verfestigten Teil M1 fallen, wie in
Wenn der Feststoff S fallengelassen wird, während das angelegte elektromagnetische Querfeld 0,05 Tesla übersteigt, wird die Konvektionsgeschwindigkeit der Siliciumschmelze M verringert und ein Rühreffekt der Siliciumschmelze M vermindert, so dass die Temperatur der Siliciumschmelze M im Zentrum des Tiegels 12 niedriger wird als die Temperaturen anderer Teile der Siliciumschmelze M. Entsprechend wird die Temperatur im Zentrum des verfestigten Teils M1 durch den Kontakt mit dem Feststoff S, verglichen mit anderen Teilen, ohne weiteres verringert, so dass die Verfestigung in dem zentralen Teil fortschreitet. Folglich bildet sich ein vorstehender Teil M19, der vom Zentrum der Unterseite des verfestigten Teils M1 markant vorsteht, wie in
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Intensität des elektromagnetischen Querfelds zum Zeitpunkt des Fallenlassens des Feststoffs S G1 Tesla, d.h., 0,05 Tesla oder weniger, und die Konvektionsgeschwindigkeit der Siliciumschmelze M wird erhöht, um den Rühreffekt der Siliciumschmelze M zu bewirken. Der Rühreffekt schränkt die Abnahme der Temperatur der Siliciumschmelze M im zentralen Teil des Tiegels 12 ein, und reduziert die Verringerung der Temperatur im Zentrum des verfestigten Teils M1 in Folge des Kontakts mit dem Feststoff S. Im Ergebnis wird das Fortschreiten der Verfestigung im zentralen Teil des verfestigten Teils M1 eingeschränkt, wodurch ein vorstehender Teil M11, der kürzer ist als der vorstehende Teil M19, ausgebildet wird, wie in
Anschließend erhöht zu einer Zeit T5 nach dem Ende des Fallenlassens des Feststoffs S die Einkristall-Hochziehvorrichtung 1 die Intensität des elektromagnetischen Querfelds auf G2 Tesla, während die elektrische Leistung der Heizung 13 bei P2 (kW) gehalten wird.Then, at a time T5 after the end of dropping the solid S, the single crystal pulling-up device 1 increases the intensity of the transverse electromagnetic field to G2 Tesla while keeping the electric power of the
Während die elektrische Leistung der Heizung bei P2 (kW) gehalten wird, wird ein Inselteil M2, der aus dem verfestigten Teil M1 und dem Feststoff S gebildet ist, von seinem äußeren Umfang und seiner Unterseite allmählich weiter geschmolzen. Dann verringert zu einer Zeit T6, wenn Formel (1) unten erfüllt ist, in der die maximale Außenabmessung des Inselteils M2, von oben gesehen, D1 ist und der Innendurchmesser des Tiegels 12 D2 ist, wie in
Es ist erwähnenswert, dass die maximale Außenabmessung sich auf die Abmessung des Inselteils M2, gemessen zwischen zwei unterschiedlichen Punkten an dem äußeren Umfang des Inselteils M2, an denen der Punkt-zu-Punkt-Abstand maximal ist, bezieht.It is worth noting that the maximum outer dimension refers to the dimension of the island part M2 measured between two different points on the outer perimeter of the island part M2 where the point-to-point distance is maximum.
Anschließend wird ein zweiter Verfestigungsschritt ähnlich zu dem ersten Verfestigungsschritt in einem Zeitraum zwischen den Zeiten T7 bis T8 durchgeführt, ein zweiter Schmelzschritt ähnlich zu dem ersten Schmelzschritt wird in einem Zeitraum nach der Zeit T8 durchgeführt, und ein zweiter Schritt des Fallenlassens ähnlich zu dem ersten Schritt des Fallenlassens wird in einem Zeitraum zwischen den Zeiten T9 bis T10 durchgeführt.Subsequently, a second solidification step similar to the first solidification step is performed in a period between times T7 to T8, a second melting step similar to the first melting step is performed in a period after time T8, and a second dropping step similar to the first step of dropping is performed in a period between times T9 to T10.
Dann werden nach Bedarf ein dritter Verfestigungsschritt und darauffolgende Verfestigungsschritte, ein Schritt oder Schritte des Fallenlassens und ein Schmelzschritt oder Schmelzschritte durchgeführt, und der Hochziehschritt wird durchgeführt, wenn die Menge der Siliciumschmelze M ein vorher festgelegtes Niveau erreicht.Then, a third solidification step and subsequent solidification steps, a dropping step or steps, and a melting step or steps are performed as required, and the pull-up step is performed when the amount of the silicon melt M reaches a predetermined level.
Funktion(en) und Vorteil(e) der beispielhaften AusführungsformFeature(s) and Advantage(s) of the exemplary embodiment
Gemäß der obigen beispielhaften Ausführungsform wird der Feststoff S zu den Zeiten T4, T9 fallengelassen, zu denen die Intensität des elektromagnetischen Querfelds G1 Tesla ist, was mehr als 0 Tesla und 0,05 Tesla oder weniger ist, und der Rühreffekt für die Siliciumschmelze M erzielbar ist. Entsprechend kann die Länge des vorstehenden Teils M11 verkürzt werden, verglichen mit der Länge des vorstehenden Teils M19, der sich bildet, wenn ein elektromagnetisches Querfeld stärker als 0,05 Tesla angelegt ist. So ist es unwahrscheinlicher, dass der vorstehende Teil M11 die Bodenfläche der Innenwand des Tiegels 12 erreicht und hierdurch wird die Möglichkeit, dass der Tiegel 12 beschädigt wird und sich die Dislokationsrate des Silicium-Einkristalls SM erhöht, reduziert. Ferner können die Dislokationen, die von den von dem Tiegel 12 erzeugten Partikeln herrühren, reduziert werden, im Vergleich zu dem Fall, dass G1 Tesla 0 Tesla ist.According to the above exemplary embodiment, the solid S is dropped at the times T4, T9 when the intensity of the transverse electromagnetic field is G1 Tesla, which is more than 0 Tesla and 0.05 Tesla or less, and the stirring effect for the silicon melt M is obtainable is. Accordingly, the length of the protruding part M11 can be shortened compared with the length of the protruding part M19 formed when a transverse electromagnetic field stronger than 0.05 Tesla is applied. Thus, the protruding part M11 is less likely to reach the bottom surface of the inner wall of the
Bei dem Verfestigungsschritt, der in dem Zeitraum zwischen den Zeiten T2 und T3 und zwischen T7 und T8 durchgeführt wird, ist die Intensität des elektromagnetischen Querfelds auf G1 Tesla eingestellt. Entsprechend kann sogar vor dem Fallenlassen des Feststoffs S das Wachstum des verfestigten Teils im zentralen Bereich des verfestigten Teils M1 nach unten durch den Rühreffekt der Siliciumschmelze M eingeschränkt werden und hierdurch die Länge des vorstehenden Teils M11 weiter reduziert werden. So kann die Beschädigung des Tiegels 12 und die Zunahme der Dislokationsrate des Silicium-Einkristalls SM weiter beschränkt werden.In the solidification step, which is performed in the period between times T2 and T3 and between times T7 and T8, the intensity of the transverse electromagnetic field is set at G1 Tesla. Accordingly, even before the solid S is dropped, the solidified part can be restricted from growing downward in the central portion of the solidified part M1 by the stirring effect of the silicon melt M, and thereby the length of the protruding part M11 can be further reduced. Thus, the damage to the
Die Zugabe (das Fallenlassen) des Feststoffs S wird zu den Zeiten T4, T9 begonnen, nachdem der Verfestigungsschritt zu dem Schmelzschritt gewechselt wurde. Der Feststoff S wird somit fallengelassen, nachdem die Temperatur der Siliciumschmelze M in dem Schmelzschritt erhöht wurde, so dass die, durch den Kontakt mit dem Feststoff S verursachte Abnahme der Temperatur des verfestigten Teils M1 reduziert werden kann und hierdurch die Länge des vorstehenden Teils M11 weiter reduziert wird.The addition (dropping) of the solid S is started at times T4, T9 after the solidification step is switched to the melting step. The solid S is thus dropped after the temperature of the silicon melt M is raised in the melting step, so that the decrease in temperature of the solidified part M1 caused by the contact with the solid S can be reduced, and thereby the length of the protruding part M11 can be further reduced is reduced.
Wenn die Zugabe (das Fallenlassen) des Feststoffs S beendet ist (Zeiten T5, T10) wird die Intensität des elektromagnetischen Querfelds auf einen Wert eingestellt, der 0,05 Tesla übersteigt. Der Rühreffekt der Siliciumschmelze M kann erzielt werden, während der Feststoff S fallengelassen wird, so dass das Wachstum des verfestigten Teils im zentralen Bereich des verfestigten Teils M1 nach unten weiter eingeschränkt werden kann, was die Länge des vorstehenden Teils M11 weiter reduziert.When the addition (dropping) of the solid S is finished (times T5, T10), the intensity of the transverse electromagnetic field is adjusted to a value exceeding 0.05 Tesla. The stirring effect of the silicon melt M can be obtained while dropping the solid S, so that the growth of the solidified part in the central portion of the solidified part M1 can be further restricted downward, further reducing the length of the protruding part M11.
In dem Schmelzschritt wird, nachdem die maximale Außenabmessung D1 des Inselteils M2 die Formel (1) von oben erfüllt, die Intensität des elektromagnetischen Querfelds auf G1 Tesla eingestellt. Es wird angenommen, dass der vorstehende Teil des Inselteils M2 ausreichend kurz ist, wenn Formel (1) erfüllt ist. Entsprechend kann die Länge des vorstehenden Teils M11 reduziert werden, selbst wenn die Temperatur des verfestigten Teils M1 durch den Kontakt mit dem Feststoff S verringert wird und sich der vorstehende M11 an der Unterseite des verfestigten Teils M1 bildet.In the fusing step, after the maximum outer dimension D1 of the island part M2 satisfies the formula (1) above, the intensity of the transverse electromagnetic field is set to G1 Tesla. It is assumed that the protruding part of the island part M2 is sufficiently short when formula (1) is satisfied. Accordingly, the length of the protruding part M11 can be reduced even if the temperature of the solidified part M1 is lowered by contact with the solid S and the protruding part M11 is formed at the bottom of the solidified part M1.
Modifikation(en)modification(s)
Es ist erwähnenswert, dass der Bereich der Erfindung nicht auf die beispielhafte Ausführungsform von oben beschränkt ist, sondern beispielsweise verschiedene Verbesserungen und Designänderungen einschließen kann, solange das Ziel der Erfindung erreicht werden kann.It is worth noting that the scope of the invention is not limited to the exemplary embodiment above, but may include, for example, various improvements and design changes as long as the object of the invention can be achieved.
Z.B. ist es für die Intensität des elektromagnetischen Querfelds lediglich notwendig, dass sie zumindest zu einem Zeitpunkt (Zeiten T4, T9) auf G1 Tesla eingestellt wird, wenn in dem Schritt des Fallenlassens der verfestigte Teil M1 anfänglich in Kontakt mit dem Feststoff S ist. Die Intensität des elektromagnetischen Querfelds kann zumindest zu einer Zeit in einem beliebigen von dem Schritt des Fallenlassens (außer dem Zeitpunkt des anfänglichen Kontakts des verfestigten Teils M1 und des Feststoffs S), dem Herstellungsschritt, dem Verfestigungsschritt und dem Schmelzschritt 0,05 Tesla überschreiten. Die Verringerung der Temperatur des verfestigten Teils M1 ist am größten, wenn der verfestigte Teil M1 den Feststoff S anfänglich kontaktiert. Entsprechend kann, solange die Verringerung der Temperatur des Teils der Siliciumschmelze M im Zentrum des Tiegels 12 beim anfänglichen Kontakt des verfestigten Teils M1 und des Feststoffs S reduziert ist, die Länge des vorstehenden Teils M11 reduziert werden, verglichen mit einem Fall, bei dem die Intensität des elektromagnetischen Querfelds 0,05 Tesla übersteigt.For example, it is only necessary for the transverse electromagnetic field intensity to be set to G1 Tesla at least at a point in time (times T4, T9) when the solidified part M1 is initially in contact with the solid S in the dropping step. The intensity of the transverse electromagnetic field may be increased at least at a time in any of the dropping step (except the time of initial contact of the solidified portion M1 and the Solid S), the manufacturing step, the solidification step and the melting step exceed 0.05 Tesla. The reduction in temperature of the solidified portion M1 is greatest when the solidified portion M1 contacts the solid S initially. Accordingly, as long as the decrease in the temperature of the silicon melt portion M at the center of the
Der Schritt des Fallenlassens kann durchgeführt werden, während der Verfestigungsschritt durchgeführt wird.The dropping step may be performed while the solidifying step is being performed.
Die Intensität des elektromagnetischen Querfelds, die in dem Schritt des Wiederauffüllens 0,05 Tesla übersteigt, kann in dem Hochziehschritt größer oder kleiner als 0,05 Tesla sein.The intensity of the transverse electromagnetic field that exceeds 0.05 Tesla in the refilling step may be greater or less than 0.05 Tesla in the pull-up step.
Die Intensität des elektromagnetischen Querfelds, die in dem Schritt des Wiederauffüllens 0,05 Tesla oder weniger ist, kann größer als G1 Tesla sein.The intensity of the transverse electromagnetic field that is 0.05 Tesla or less in the refilling step may be greater than G1 Tesla.
Die Intensität des elektromagnetischen Querfelds kann nach Ablauf einer vorher festgelegten Zeit vom Beginn des Schmelzschritts ohne Überprüfen der Größe des Inselteils M2 auf G1 Tesla eingestellt werden.The intensity of the transverse electromagnetic field can be adjusted to G1 Tesla after a lapse of a predetermined time from the start of the melting step without checking the size of the island part M2.
Der Hochziehschritt kann nach dem ersten und anschließenden Schmelzschritten durchgeführt werden.The pull-up step can be performed after the first and subsequent fusing steps.
BezugszeichenlisteReference List
- 1212
- Tiegel,Crucible,
- MM
- Siliciumschmelze,silicon melt,
- M1M1
- verfestigter Teil,solidified part,
- M2M2
- Inselteil,island part,
- SS
- Feststoff,solid,
- SMSM
- Silicium-Einkristallsilicon single crystal
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